一种新型空心线圈电流互感器的设计

一种新型空心线圈电流互感器的设计

0新型电子式整体传感传感技术气体隔离开关（gis）具有占地面积小、运营可靠性高、安装工作量小、维护周期长等优点，在能源系统中得到了广泛应用。目前,GIS中普遍采用铁心式电流互感器,该互感器动态范围小,在故障电流作用下易饱和,且随着电压等级的提高使该互感器的体积、重量及造价均会大幅度提高。本文介绍一种可用于220kVGIS的新型空心线圈电流互感器。该互感器由Rogowski线圈和数字变换器两部分组成,数字变换器以现场可编程门阵列(FPGA)为核心,采用数字积分技术还原被测电流波形,互感器的输出为数字光信号,满足电子式电流互感器标准(IEC60044-8)精度(0.2级)要求。近年来,基于光电技术和电子技术的电子式互感器日渐成熟,电子式电流互感器标准IEC60044-8及电子式电压互感器标准IEC60044-7已正式发布。根据传感原理的不同,电子式互感器可分为无源电子式互感器和有源电子式互感器两类。空心线圈电流互感器是一种有源电子式互感器,它不含铁心,克服了铁心式电流互感器的缺点,性能稳定且便于工业化生产,输出信号可直接与微机化测量及保护装置接口,是一种在GIS中具有良好应用前景的电子式互感器。1u3000线圈dl段上的磁场强度空心线圈电流互感器以Rogowski线圈为传感头。Rogowski线圈是一种密绕于非磁性骨架上的空心螺线管,结构如图1所示。图中i为穿过线圈的被测电流。设n为线圈单位长度上的匝数,S为线圈截面积,则线圈dl段上的磁链为:dΦ=μ0SnΗ⋅dl(1)dΦ=μ0SnH⋅dl(1)式中:H为线圈dl段处的磁场强度。整个线圈的磁链为:Φ=∮μ0SnΗ⋅dl(2)Φ=∮μ0SnH⋅dl(2)若线圈各处的n及S均匀,根据全电流定律,有:Φ=∮μ0SnH·dl=μ0Sn∮H·dl=μ0nSi(3)若i为交变电流,则线圈的感应电势e(t)为:e(t)=-dΦdt=-μ0nSdidt(4)e(t)=−dΦdt=−μ0nSdidt(4)由式(4)可知,Rogowski线圈的感应电势e(t)与被测电流i的微分成正比,利用电子电路对e(t)进行积分变换便可求得被测电流i。2换器结构设计空心线圈电流互感器主要由Rogowski线圈及数字变换器两部分构成,结构如图2所示。Rogowski线圈置于GIS内,线圈与一次导体间以SF6气体绝缘,数字变换器固定于GIS壳体外,数字变换器的工作电源由外部提供。2.1干扰磁场的产生及影响线圈输出的因素Rogowski线圈是互感器的电流敏感元件,其性能直接关系到互感器的稳定性。Rogowski线圈不含铁心,输出信号与线圈匝数密度n及线圈截面积S有关,而n及S随温度而变化,因此,外界磁场及环境温度的变化会影响线圈的输出,从而影响互感器的稳定性。外界干扰磁场可分解为与线圈垂直和与线圈平行的两个分量。a.平行分量的干扰磁场与被测电流i产生的磁场平行,由式(3)和式(4)可知,若线圈各处的n及S均匀,则线圈的输出只与被测电流有关,与外界干扰磁场的平行分量无关,否则,平行分量的干扰磁场会影响线圈的输出。b.垂直分量的干扰磁场穿过线圈,会在线圈两端引起感应电势:e′=-ddt∫∫S′μ0ΗndS′(5)e′=−ddt∫∫S′μ0HndS′(5)式中:S′为引起e′的有效面积。在骨架中心绕制一圈与线圈走向相反的回线可使S′近似为0,从而有效地减小或消除垂直分量干扰磁场的影响。线圈骨架的热胀冷缩会使线圈匝数密度n及线圈截面积S随环境温度而变化,从而影响互感器的稳定性。选用温度系数小的材料做骨架可减小温度的影响,陶瓷、玻璃等无机材料的温度系数很小(约10-6/K～10-7/K),但易碎裂,不易加工。环氧树脂等有机材料易加工,但温度系数较大(约10-5/K)。以环氧树脂等有机材料作骨架,对骨架进行适当处理,使线圈均匀且准紧贴骨架绕制,这样骨架尺寸随温度的变化不会影响线圈的n和S,从而可减小温度变化对线圈输出感应电势的影响。Rogowski线圈的输出信号通常比较弱,易受外界电磁场的干扰,为此,应对线圈进行屏蔽,输出信号用屏蔽双绞线引出。2.2积分变换电路Rogowski线圈的输出信号正比于被测电流的微分。数字变换器的主要作用是通过积分变换还原被测电流波形,并按约定格式以数字光信号的形式输出。数字变换器工作于户外,它应能在一定的温度范围(如-40℃～+70℃)及电磁干扰环境下正常工作。积分变换是数字变换器的关键,可采用模拟或数字技术来实现。用模拟技术实现积分变换有不同的电路形式,其稳定性均依赖于所选电阻和电容的温漂及时漂特性。目前,电阻的温度系数最好为±10-5/℃,电容的温度系数最好为±3×10-5/℃,在-40℃～+70℃温度范围内,采用模拟积分器很难使互感器满足±0.2%的精度要求。用数字技术实现积分变换,其性能取决于积分算法,不存在温漂和时漂问题。采用数字积分的数字变换器如图2所示。它包括电源、信号调理、模/数转换、FPGA及电光转换等部分。电源模块将外部输入的220V直流转换为±12V和+5V电源供其他模块使用。信号调理电路对输入信号进行滤波、放大等处理,计量通道和保护通道的放大倍数不同,保护通道能传变40倍的额定一次电流信号。模/数转换电路将模拟信号转换为数字信号,供FPGA使用。FPGA主要实现数字积分和通信协议的转换等。数字信号的输出格式参照IEC60044-8的要求,数据采用Manchester编码,传输速率为2.5Mbit/s。FPGA输出的串行数据经电光转换后由多模光纤送出。数字变换器可接收外部(如合并单元)同步光脉冲信号,以实现多个电子式互感器的同步。3空心线圈电流耦合电流感染测试空心线圈电流互感器的原理、结构及二次输出信号等与传统的电磁式电流互感器有较大区别,其精度与二次负载无关,但与温度等因素有关。为全面考察空心线圈电流互感器的实用性,按标准及工程要求对互感器进行了全面实验。电磁兼容试验表明互感器满足IEC60044-8的电磁兼容性要求。对互感器的线性度、温度特性等实验情况如下。3.1实验仪器和电路空心线圈电流互感器的输出是串行数字光信号,为便于实验,研制了相应的电子式互感器实验仪,实验电路如图3所示。电子式互感器实验仪同时采集空心线圈电流互感器和标准电流互感器的输出,计算、存储并显示空心线圈电流互感器的比差和角差等信息。3.2空心线圈电流传感特性测试空心线圈电流互感器额定一次电流为600A。调节调压器使升流器输出从30A渐变至17.8kA,测试空心线圈电流互感器的线性特性,结果如表1所示。表中比差和角差是利用互感器保护通道的数据得出的。实验表明,空心线圈电流互感器具有很好的线性度,1路输出信号便可同时满足测量和保护的要求。3.3抗外界磁场干扰的性能利用与一次电流大小相等的导线产生干扰磁场,将干扰导线放置于距Rogowski线圈0m,0.4m及以上距离,分别测试互感器抗外界磁场干扰的性能,结果如表2所示。表中“平行”指干扰导线与穿过互感器的一次电流平行,以模拟相邻相导体影响;“垂直”指干扰导线与一次电流垂直,以模拟母线影响。实验表明,干扰导线紧靠互感器时,对互感器的比差有影响,但距离大于0.4m后其影响近似为0。实际工程中,互感器距相邻相导体或母线的距离均大于0.4m,因此,互感器具有良好的抗外界磁场干扰能力。3.4温度特性测试将互感器(包括Rogowski线圈和数字变换器)放入温度控制箱内,在-40℃～+70℃温度范围内以30K/h的变化速率调节温控箱,测试互感器的温度特性。结果表明,温度变化对互感器的比差和角差均有一定影响,这主要是因为Rogowski线圈和数字变换器的滤波环节受温度影响,互感器比差和角差的变化均未超出0.2级精度的要求。3.5空心线圈电流进行的瞬态波形将穿过线圈的一次电流调至500A,然后瞬间断开。空心线圈电流互感器及标准电流互感器的瞬态波形如图4所示,两组波形重合很好。为便于显示,图中将标准电流互感器各点测试值均乘以0.5。4rogowski线圈空心线圈电流互感器的原理、结构及输出信号等与传统的电磁式电流互感器有很大不同,环境温度及外界电磁场等对互感器的精度有一定影响,采取如下措施可使互感器达到0.2级精度要求:a.使Rogowski线圈的匝数密度n和截面积S均匀,可减小或消除干扰磁场平行分量的影响。b.在骨架中心绕制一圈与线圈走向相反的回线,可减小或消除干扰磁场